基于ARM的3D打印机控制系统设计研究

摘要

随着3D打印技术广泛进入教育、艺术设计、生物医学等民用领域，低成本的桌面级3D打印机需求不断扩大。目前国内对桌面级3D打印机步进电机运动控制研究不够深入，对彩色打印技术的研究集中在机械结构设计，对控制技术没有过多研究。为解决上述问题，本文以FDM原理的桌面级3D打印机作为实验平台，采用先进的ARM微控制器，对3D打印机控制系统开展设计和研究工作。
　　本文首先概述了FDM3D打印原理，介绍了3D打印机控制系统国内外研究现状，包括各种控制系统方案、步进电机运动控制技术和彩色打印技术。提出了一种基于STM32F103ARM微控制器的3D打印机控制系统设计方案，包括硬件电路设计和软件架构方案。然后阐述了控制系统的输入部分，包括数据通信、人机界面显示和按键功能的实现方法。
　　本文重点论述了3D打印机步进电机运动控制的实现过程，包括数控插补算法和速度前瞻控制的研究。引入S曲线加减速算法对电机原有的梯形加减速算法进行替代。通过对比实验证明，采用本文设计的S曲线加减速控制算法，在高速打印时可以提高3D打印机的打印质量。阐述了增量式PID控制算法和Bang-Bang控制原理，在此基础上设计喷头和热床的温度控制算法并通过实验进行验证，取得了良好的温控效果。
　　最后本文探讨了彩色打印功能的实现原理，分析了彩色打印的影响因素。给出了本文设计的彩色打印控制方法，通过实验确定了彩色打印的控制系统工艺参数，并验证了彩色打印控制程序的有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 FDM 3D打印原理概述

1．3 国内外研究现状

1．3．1 3D打印机控制系统

1．3．2 3D打印步进电机运动控制

1．3．3 彩色打印技术

1．4 课题研究意义

1．5 本文研究内容

第二章 3D打印机控制系统方案设计

2．1 控制系统总体方案设计

2．1．1 主控制器选型

2．1．2 控制系统整体结构

2．2 控制系统硬件电路设计

2．2．1 温度采集电路设计

2．2．2 加热电路设计

2．2．3 步进电机选型与驱动电路设计

2．3 控制系统软件架构

2．3．1 任务模块设计

2．3．2 控制系统软件架构设计

2．4 SD卡数据通信与G代码命令解析

2．4．1 3D打印切片软件简介

2．4．2 SDIO通信方式

2．4．3 Fatfs文件系统移植

2．4．4 Fatfs API函数与G代码命令读取

2．4．5 G代码命令解析程序设计

2．5 LCD人机界面与按键功能实现

2．5．1 FSMC与LCD驱动

2．5．2 ucGUI系统移植

2．5．3 人机界面显示程序设计

2．5．4 按键功能实现

2．6 本章小结

第三章 步进电机运动控制研究与实验

3．1 数控系统插补算法研究

3．1．2 直线DDA插补算法原理

3．1．3 DDA插补算法的C语言实现

3．2 S型曲线加减速算法研究

3．2．1 S曲线加减速算法原理

3．2．2 S曲线加减速离散过程

3．3 速度前瞻控制研究

3．3．1 速度前瞻控制原理

3．3．2 圆弧转接算法原理

3．3．3 实时运动速度分析

3．3．4 速度前瞻控制程序设计

3．4 3D打印机实时运动控制

3．4．1 步进电机脉冲发生原理

3．4．2 步进电机实时运动控制

3．4．3 速度前瞻控制实验

3．5 S曲线加减速控制实验

3．5．1 S曲线实验验证

3．5．2 S曲线加减速与梯形加减速对比实验

3．6 实际打印模型测试

3．7 本章小结

第四章 喷头、热床温度控制研究与实验

4．1 增量式PID控制算法原理

4．1．1 PID控制算法原理

4．1．2 增量式PID控制算法

4．3 温度控制算法设计与实验

4．4 本章小结

第五章 彩色打印功能研究与实验

5．1 彩色打印原理研究

5．1．1 彩色打印实现原理

5．1．2 彩色打印的影响因素

5．1．3 RGB颜色混合理论

5．2 彩色打印功能的实现

5．3 彩色打印实验

5．3．1 彩色打印影响因素实验

5．3．2 彩色打印功能测试实验

5．3．3 实验误差分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

研究成果及发表的学术论文

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